在追求更快和更多功能的大環境下,片上ESD保護大多因為要達到更高芯片性能而成了迫不得已的犧牲品。據ESD協會估計,未來的集成電路可能將無法承受目前片上ESD保護的電壓水平(2kV)。事實上已有人提議將片上ESD的目標承受水平降低一半以上。如果降低了片上保護的標準,那么從系統級來說,芯片就會對電纜放電(CDE)和人體靜電放電(ESD)等瞬態現象更加敏感。于是,隨著當前和今后集成電路ESD敏感性的增加,就更有必要采用更加強健的片外瞬態電壓抑制措施來保護系統。

ESD現象可采用多種模型進行模擬,而許多人在談及芯片級模型與標準和系統級模型與標準時,往往會產生混淆。根據MIL-STD 883標準的 Method 3015 (ANSI/ESD STM5.1)規定,芯片級ESD測試是讓最低2kV的放電電壓通過一個1500 Ohm的電阻進入被測器件。在此阻值下,該模型產生的電流接近。正如我們前面所說,已有人提議降低放電電壓至1000V,甚至在今后降至500V以下。而就當前的ESD控制方式和亞微米IC的制造要求來看,這樣的水平或許也是合理的。

然而在系統級,電子設備則面臨更惡劣的ESD條件。今天國際公認的系統級ESD標準是IEC 61000-4-2。制造商廣泛采用該標準模擬人體接觸所產生的ESD。它不但對保證產品可靠性十分重要,而且通常產品要想進入國際市場就必須達到該標準。IEC 61000-4-2又將ESD放電電壓細分為4個危害等級,分別是通過330 Ohm 電阻釋放2kV、 4kV、 6kV和8kV電壓。如今的電子系統大都要求至少可抵抗3級或4級ESD電壓。以第4級為例,最大ESD電流可達30A(見表1),是芯片級ESD電流的20多倍。如果按前面所提新的片上ESD保護標準算,很明顯,下一代集成電路上哪怕只出現一次放電,都會面臨災難性損壞的風險。

與其他過壓現象相比,靜電放電是一種非?？斓乃矐B脈沖。IEC 61000-4-2將其上升時間定為700ps到1ns,脈沖持續時間為60ns(見圖1)。這也解釋了為什么普通ESD現象在進行板卡級抗ESD設計時會成為難題。

保護電子設備不被損壞,這項使命從來都不簡單。由于鉗位電壓低而且響應時間短,瞬態電壓抑制(TVS)二極管長期以來一直被用于保護系統免受ESD損壞。當然,市場上還有其他類型的ESD抑制器件,但這種器件若選擇不慎,可能會讓設計人員對自己的產品產生錯誤的安全感。采用的ESD器件滿足IEC 61000-4-2標準并不能保證系統一定可以通過ESD測試。評價一個TVS器件在系統中表現如何的最佳方法是看其鉗位電壓。所謂鉗位電壓,就是當出現ESD現象時器件兩端維持的電壓。因此,這也是當時被保護IC所承受的電壓。鉗位電壓過高會導致被保護器件承受的電壓過高,從而增大故障概率。而TVS二極管則以其優秀的低鉗位電壓特性成為敏感電子產品保護領域的主要技術。如果使用得當,它可以將被保護器件兩端的電壓限制在稍高于該器件的工作電壓、并遠低于器件損壞電壓的水平。

圖1 根據IEC 61000-4-2標準得到的ESD電流波形    

保護元件的鉗位性能通常用一幅繪有元件鉗位電壓與ESD電壓關系的圖來表示。但不同制造商生產的TVS器件在鉗位響應上可能差異巨大,因此器件的選擇就變得更加復雜。介于此,設計師在選擇器件時應堅持要求廠商提供數據手冊,手冊中除說明器件符合IEC 61000-4-2標準外還應提供更多其他信息。一款品質優良的ESD保護器件,其數據手冊中應包含該器件的鉗位性能圖,否則設計人員就不應考慮采用。

從TVS器件的角度說,有一點很明確——鉗位電壓越低越好。事實上,保護器件的鉗位電壓越低,系統就越有可能一次性通過檢測實驗室的抗ESD測試。盡管不能保證萬無一失,但通過合理布線和選用低鉗位電壓的TVS,可以最大程度地強化系統的抗ESD能力。

在選擇保護器件的鉗位電壓時,還必須考慮被保護器件的工作電壓。目的是在輸入電壓剛剛高于電路正常工作電壓時,保護器件就能導通。針對5V系統的傳統P-N結保護器件早已出現,但隨著系統工作電壓降至5V以下,低電壓保護器件的需求就凸顯出來。Semtech公司開發了一種專有低電壓工藝,采用該工藝的ESD保護器件能工作在 和,泄漏電流小,過負荷能力強。

表1:IEC 61000-4-2測試等級  

設計ESD保護方案時,在電路板布線和元器件選擇方面還應注意以下問題:

1. TVS器件應盡可能接近系統的接口連接器。由于ESD脈沖上升時間很短,因此我們顯然不希望它耦合到附近的走線上去。而將TVS器件盡可能靠近接口端口放置就可以限制PCB入口點的能量,從而削弱ESD現象引發的二次輻射效應。

2. 盡可能縮短TVS器件到被保護I/O線之間的走線長度,以此減小寄生電感效應(V = L*di/dt)。假設ESD的上升時間為1ns,那么一個30A的脈沖(IEC 61000-4-2標準第4級)加在一個1nH的走線寄生串聯電感上可以將器件的鉗位電壓提高30V!

3. 如果可能,TVS器件的接地腳應直接連接到電路板的地平面。如需過孔連接,則應同時采用多個過孔連接。

4. 當電路板承載的是高速數字信號時,TVS器件的電容特性就顯得重要起來。為保持信號完整性,應在不犧牲鉗位性能的前提下選擇容值最小的保護器件。例如,Semtech 的RClamp0524P電容只有,因而對高速接口幾乎沒有影響。

5. 如果可以,在高速走線上應采用流過型封裝(flow through package),因為這樣就能直接將保護器件放在PCB的差分走線對上,使走線不必分支,也不必彎曲,從而保持信號完整性。圖2給出了一個實現流過性封裝的例子。

6. 盡可能縮短走線長度,因為如果信號走線過長,就會象天線一樣從ESD耦合噪聲。

圖2 采用流過性封裝的RClamp0524P HDMI保護器件      

半導體發展的趨勢是體積日益縮小,片上ESD保護日益減少,這就要求設計師在系統設計時更多地考慮可靠性。盡管集成電路對ESD的靈敏度在增高,但ESD這一物理現象卻并沒有減弱。所以未來的電子產品需要更強健的片外ESD保護才能提供與目前相當的系統保護性能。選擇一款鉗位性能優秀的TVS,并采用一些基本布線技術,設計師們就能提高其產品一次性通過ESD檢測的幾率,并保證產品具備更高的可靠性。

作者:應用技術經理Bill Russell, 產品行銷工程師Tim Puls

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